แบบจำลองอะตอม โดย ครูวันนา กันหาพร กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ โรงเรียนนวมินทราชินูทิศ สตรีวิทยา พุทธมณฑล

อะตอม คือ?

ภาพจำลองอะตอมของทองคำที่สร้างขึ้นจากเครื่องมือ atomic force microscope (AFM)

atomic force microscope (AFM) atomic force microscope (AFM) เป็นเครื่องมือที่ใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโนโดยเฉพาะโดยเครื่อง AFM จะสามารถทำงานได้โดยการใช้อุปกรณ์ตรวจหรือโพรบ (probe) ที่มีปลายแหลมซึ่งติดอยู่กับคานยื่น (cantilever) ที่สามารถโก่งงอตัวได้เคลื่อนที่สัมผัสไปบนพื้นผิวของวัตถุ (ซึ่งสามารถที่จะวัด แรงกระทำที่ปลายแหลมของโพรบได้แม้ว่าจะมีขนาดน้อยมากในระดับนาโนก็ตาม) และคุณประโยชน์ของเครื่อง AFM ก็คือ สามารถที่จะตรวจวัดพื้นผิวที่เป็นฉนวนไฟฟ้าได้ เช่น พื้นผิวโพลีเมอร์ เซรามิค คอมโพสิท กระจกหรือแก้ว หรือแม้แต่โมเลกุลทางชีวภาพต่าง ๆ ก็สามารถที่จะวัดได้

atomic force microscope (AFM)

หลักการทำงานของเครื่อง atomic force microscope (AFM) คือ การผ่านแสงเลเซอร์ไปให้กับส่วนปลายแหลม (tip) ของคานยื่นที่มีขนาดระดับอะตอม ในระยะใกล้ ซึ่งส่วนปลายแหลมของคานนั้นจะไปสัมผัสแบบกระดกในทิศทางขึ้นและลง กับพื้นผิวของวัตถุ และเมื่อเครื่อง AFM ลากส่วนปลายแหลมผ่านโครงสร้างระดับ นาโน แรงปฏิกิริยาที่กระทำในแนวตั้งฉากที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของพื้นผิวกับปลายแหลมจะดึงคาน ทำให้คานโก่งงอตัว ทำให้สามารถตรวจวัดขนาดของแรงเชิงปฏิสัมพันธ์ ระหว่างความสัมพันธ์เชิงตำแหน่งของส่วนปลายแหลมและพื้นผิวของวัตถุ (ทำให้สามารถทราบถึงระดับพลังงานที่เกิดขึ้นได้) ซึ่งจะถูกนำมาแปรสัญญาณร่วมกันเพื่อนำมาสร้างเป็นภาพพื้นผิวที่เป็นลักษณะเชิงโครงสร้างระดับอะตอม ที่มีกำลังการขยายสูงไปแสดงบนจอภาพที่เป็นมอนิเตอร์ (และโดยหลักการเดียวกันนี้ก็สามารถที่ใช้ปลายแหลมของคานนี้ในการสร้างแรงผลัก เพื่อเคลื่อนย้ายอะตอมแต่ละตัวของโครงสร้างวัสดุได้เช่นเดียวกันอีกด้วย)

atomic force microscope (AFM)

วิธีการทำงานของเครื่อง AFM ที่นำมาใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโน สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 วิธี ได้แก่ 1. เป็นการสัมผัสพื้นผิวพร้อมกับการลากปลายแหลมไปบนพื้นผิวนั้นๆ ตลอดเวลา ข้อเสียของวิธีนี้คือ จะทำให้เกิดแรงต้านในแนวของการเคลื่อนที่ซึ่งขนานกับพื้นผิวขึ้น อันอาจทำให้คานของโพรบที่ใช้วัดเกิดการโก่งงอตัวหรือเกิดบิดเบี้ยวไป โดยที่มิได้เกิดจากแรงดึงดูดที่ปลายเนื่องจากแรงในแนวตั้งฉากเพียงอย่างเดียว จึงทำให้ข้อมูลความสูงของพื้นผิวที่วัดได้นั้นอาจผิดไปจากความสูงที่แท้จริง 2. เป็นการสัมผัสพื้นผิวโดยให้ปลายแหลมสัมผัสกับพื้นผิวเป็นระยะเวลาสั้นๆ ในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว (คล้ายกับการใช้ปลายนิ้วเคาะโต๊ะเป็นจังหวะๆ นั่นเอง) ด้วยลักษณะการสัมผัสแบบนี้แรงต้านในแนวตั้งฉากจะไม่เกิดขึ้น แต่เนื่องจากปลายแหลมสัมผัสพื้นผิวเป็นระยะสั้นๆ จึงทำให้เกิดการสั่นของคาน ซึ่งจะส่งผลให้ค่าสัญญาณที่ตรวจวัดได้นั้นไม่คงที่หรือไม่แม่นยำได้

แนวความคิดเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมสมัยกรีก คนแรกที่เสนอทฤษฎีอะตอม คือ ดิโมคริตุส (Democritus) เสนอว่า สสารทั้งหลายประกอบด้วยหน่วยที่เล็กที่สุด เรียกว่า อะตอม (Atom) ซึ่งแปลว่า ไม่สามารถแบ่งแยกได้ ผู้คัดค้านทฤษฎีอะตอมของดีโมคริตุสคือ อริสโตเติล (Aristotle) เสนอว่า สสารทุกอย่างแบ่งได้ไม่มีที่สิ้นสุด สสารทุกชนิดมีเนื้อสารต่อเนื่องกันและไม่มีที่ว่างในเนื้อสาร สสารประกอบด้วยธาตุแท้ 4 อย่าง คือ ดิน น้ำ ลม ไฟ

ปี ค.ศ. 1766-1844 จอห์น ดาลตัน (John Dalton) นักเคมีชาวอังกฤษ เสนอแนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมขึ้น เป็น “ทฤษฎีอะตอมของดาลตัน” สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดเรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้อีกและสร้างขึ้นหรือทำให้สูญหายไปไม่ได้ อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันย่อมเหมือนกันและแตกต่างจากอะตอมของธาตุชนิดอื่น สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งอะตอม และอัตราส่วนของอะตอมในสารประกอบมีอัตราส่วนที่คงที่แน่นอนและเป็นสัดส่วนอย่างต่ำ ตั้งแต่สมัยดิโมคริตุสจนถึงสมัยของดาลตัน อะตอมก็คือองค์ประกอบของสารที่แบ่งแยกต่อไปไม่ได้อีก

แบบจำลองอะตอมของดาลตัน จากทฤษฎีอะตอมของดาลตัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป “ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมตันที่มีขนาดเล็กมากและไม่สามารถแบ่งแยกได้ ”

ทฤษฏีใหม่ของอะตอมเริ่มมีการพัฒนาตอนปลายค.ศ.ที่ 19 ค.ศ. 1897 : เจ เจ ทอมสัน (J.J. Thomson) ค้นพบอิเล็กตรอน ค.ศ. 1911 : อี อาร์ รัทเทอร์ฟอร์ด (E.R. Rutherford) เสนอแบบจำลองอะตอมที่มีนิวเคลียส ค.ศ. 1913 : นีลส์ บอห์ร (Niels Bohr) นำทฤษฏีควอนตัมมาอธิบายโครงสร้างอะตอม ค.ศ. 1924 : ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanic theory) ถูกพัฒนาอย่างรวดเร็ว ค.ศ. 1932 : เจมส์ เชดวิก (Jame Chadwick) ค้นพบนิวตรอน

การค้นพบอิเล็กตรอน ปี ค.ศ. 1897 เจ เจ ทอมสัน (J.J. Thomson) ได้ศึกษาอะตอมของก๊าซต่างๆ โดยการผ่านกระแสไฟฟ้า แรงสูงเข้าไปในหลอดรังสีแคโทด เมื่อผ่านกระแสไฟระหว่างขั้วไฟฟ้าลบ (Cathode) และขั้วไฟฟ้าบวก (Anode) ในหลอดสุญญากาศ แล้วเกิดรังสีแคโทดพุ่งออกมาจากขั้วโลหะแคโทดไปยังแอโนด และเบี่ยงแบนเข้าหาขั้วบวกของสนามแม่เหล็ก (ปรากฏที่ฉากเรืองแสง)

“อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่อยู่ในอะตอมของธาตุทุกชนิด” การค้นพบอิเล็กตรอน รังสีแคโทด คือ รังสีที่เกิดจากอนุภาคประจุลบ อนุภาคประจุลบ คือ อิเล็กตรอน ทอมสันได้คำนวณอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาค พบว่ามีค่าคงที่เท่ากับ 1.76108 คูลอมบ์/กรัม อาร์ เอ มิลลิแกน (R.A. Millikan) ได้ทำการทดลองต่อจากทอมสัน และพบว่าประจุของอิเล็กตรอนมีค่า -1.602210-19 คูลอมบ์ และมวลของอิเล็กตรอนมีค่า 9.1010-28 กรัม “อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่อยู่ในอะตอมของธาตุทุกชนิด”

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน หลังจากการค้นพบอิเล็กตรอนและโปรตอน ทอมสันจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมว่า “อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบกระจายตัวอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอภายในอะตอม อะตอมอยู่ในสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ภายในอะตอมมีประจุบวกเท่ากับประจุลบ”

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ปี ค.ศ. 1911 อี อาร์ รัทเทอร์ฟอร์ด (E.R. Rutherford) ได้ใช้อนุภาคแอลฟาพิสูจน์โครงสร้างของอะตอมโดยทำการทดลองด้วยการใช้แผ่นโลหะทองคำบางๆมาเป็นเป้าให้กับอนุภาคแอลฟาที่ยิงมาจากแหล่งกำเนิดรังสี และใช้ฉากเรืองแสงซึ่งฉาบด้วยซิงค์ซัลไฟด์เป็นฉากรับอนุภาคแอลฟาเพื่อตรวจสอบว่าอนุภาคแอลฟาวางไปทางทิศใด

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด การทดลองของรัทเทอรฟอรดพบวา รังสีส่วนใหญ่ทะลุผ่านแผ่นทองคำเป็นเส้นตรง มีรังสีส่วนน้อยที่เบี่ยงเบนและเกิดการสะท้อนกลับ

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด “อะตอมประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกรวมกันอยู่ที่จุดศูนย์กลาง เรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งมีขนาดเล็กแต่มีมวลมากถือเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม ส่วนอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและมีมวลน้อยมากวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง ปริมาตรส่วนใหญ่ของอะตอมเป็นที่ว่าง” + -

การค้นพบนิวตรอน ปี ค.ศ. 1932 เจมส์ เชดวิค (James Chadwick ) ได้พบอนุภาคใหม่ที่เป็นกลางทางไฟฟ้าและมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน เรียกว่า นิวตรอน (Neutron) จากการค้นพบอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ทำให้แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดสมบูรณ์ขึ้น ดังรูป

ข้อบกพร่องของแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ไม่สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมประจุบวกจึงรวมกันอยู่ในนิวเคลียสได้ โดยที่ไม่ออกแรงผลักกันให้กระจายออก ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมอิเล็กตรอนจึงสามารถโคจรรอบนิวเคลียสได้ ทั้ง ๆ ที่การโคจรรอบนิวเคลียสจะเกิดความเร่งสู่ศูนย์กลาง จากความรู้เรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ดังนั้นอิเล็กตรอนที่สูญเสียพลังงานจลน์ ทำให้อิเล็กตรอนวิ่งช้าลง และในที่สุดจะวนเข้าไปรวมกับนิวเคลียส ดังรูป

โครงสร้างของอะตอมยุคหลัง การเปลี่ยนแปลงจากยุคฟิสิกส์แผนเดิม (classical physic)ไปสู่ยุคทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) จากทฤษฎีของรัทเทอร์ฟอร์ด อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเมื่อเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส จะมีการสูญเสียพลังงานในรูปของการแผ่รังสีซึ่งจะทำให้อะตอมยุบ และอิเล็กตรอนจะคงอยู่ไม่ได้ แต่ความจริงแล้วอิเล็กตรอนยังอยู่ในอะตอมได้ ดังนั้นต่อมา นิลส์ บอห์ร (Niels Bohr) ได้อธิบายโครงสร้างอะตอม และเสนอแบบจำลองอิเล็กตรอนขึ้นมาใหม่ในปี ค.ศ. 1913 นิลส์ บอห์ร ได้อธิบายโครงสร้างอะตอมโดยใช้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม ดังนั้น ก่อนที่จะกล่าวถึงคำอธิบายของบอห์รจึงต้องพิจารณาทฤษฎีควอนตัมก่อน

จุดเริ่มต้นของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม แต่เดิมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะใช้ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (ทฤษฎีคลื่นแสง) ของแมกซ์เวลล์ (Maxwell) ซึ่งกล่าวว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและถูกเปล่งออกมาเนื่องจากการสั่นสะเทือนของวัตถุที่มีประจุคืออิเล็กตรอน เนื่องจากอิเล็กตรอนจะสั่นด้วยความถี่เท่าใดก็ได้ไม่จำกัด ฟิสิกส์ในยุคนั้นเชื่อว่าอะตอมหรือโมเลกุลสามารถปลดปล่อยหรือดูดกลืนพลังงานรังสีค่าใดๆก็ได้ ทฤษฎีคลื่นแสงนี้ใช้อธิบายปรากฏการณ์บางอย่าง เช่น การสะท้อน การหักเห การกระเจิงของแสงได้ดี แต่ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอย่างได้ เช่นการแผ่รังสีของวัตถุดำ (Black body radiation) และปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก จึงได้มีการพัฒนาทฤษฎีใหม่ขึ้นมาอธิบาย นั่นคือ ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanic)

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s theory) แสง เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วย สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก องค์ประกอบทั้งสองนี้มีความยาวคลื่นและความถี่เท่ากัน (อัตราเร็วเท่ากัน) แต่เคลื่อนที่ในระนาบที่ตั้งฉากกัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสง (c = 3.0108 เมตรต่อวินาที)

สมบัติของคลื่น คลื่น (wave) เป็นรูปแบบการเคลื่อนที่ของพลังงานที่มีลักษณะซ้ำกันเป็นคาบๆ (Period) องค์ประกอบที่สําคัญของคลื่น มีดังต่อไปนี้ 1. ความยาวคลื่น (wavelength, λ) เป็นระยะทางจากยอดคลื่นหนึ่งถึงอีกยอดคลื่นหนึ่ง 2. ความถี่คลื่น (frequency, ν) เป็นจํานวนคลื่นที่ผ่านจุดหนึ่งในหนึ่งวินาที 3. ความเร็วคลื่น (velocity, c) เป็นระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ในหนึ่งวินาที 4. แอมพลิจูด (amplitude) เป็นความสูงของยอดคลื่น

c = λν C = อัตราเร็วคลื่น (m/s) λ = ความยาวคลื่น (nm) ν = ความถี่ (Hertz, Hz หรือ รอบต่อวินาที, s-1)

ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม ปี ค.ศ. 1900 แมกซ์ แพลงค์ (Max Planck) เสนอแนวคิดว่า อะตอมหรือโมเลกุลสามารถปลดปล่อย (หรือดูดกลืน) พลังงานรังสีเพียงบางค่าเท่านั้น พลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมานั้นมีลักษณะเป็นกลุ่มๆ ปริมาณพลังงานน้อยที่สุดที่สามารถปลดปล่อย (หรือดูดกลืน) ในรูปรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้เรียกว่า ควอนตัม พลังงานของหนึ่งควอนตัมมีค่า h = ค่าคงที่ของแพลงค์ = 6.6310-34 จูลวินาที  = ความถี่ของรังสี

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก ปี ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ใช้แนวคิดของแพลงค์ อธิบาย ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก (Photoelectric effect) การที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากพื้นผิวหน้าของโลหะเมื่อได้รับแสงที่มีความถี่อย่างน้อยเท่ากับค่าเฉพาะขั้นต่ำที่เรียกว่า ค่าความถี่ขีดเริ่ม อิเล็กตรอนที่หลุดออกมานี้เรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน ไอน์สไตน์ได้ตั้งสมมติฐานว่า แสงไม่ได้มีพฤติกรรมของคลื่น แต่แสงมีพฤติกรรมเสมือนอนุภาค เรียกว่า โฟตอน (Photon) ซึ่งแต่ละโฟตอนมีพลังงานเท่ากับ hν พลังงานของอิเล็กตรอนขึ้นกับความถี่ แต่จำนวนอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาขึ้นกับความเข้มแสง จำนวนโฟโตอิเล็กตรอน  จำนวนโฟตอน  ความเข้มแสง

สเปกตรัมการเปล่งแสงของอะตอมไฮโดรเจน ปี ค.ศ. 1913 นีลส์ บอห์ร (Niels Bohr) ได้อธิบายทฤษฎีสเปกตรัมการเปล่งแสงของไฮโดรเจนอะตอม เมื่อให้ความร้อนแก่ไฮโดรเจนอะตอมมากๆ จะทำให้อะตอมเปล่งแสงและเมื่อมีการวิเคราะห์แสงที่เปล่งออกมาโดยใช้ปริซึมจะพบว่าสเปกตรัมของไฮโดรเจนมีค่าความถี่หรือความยาวคลื่นที่จัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบเป็นชุดๆ

สเปกตรัม (Spectrum) แสงที่มองเห็นประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งอาจมีความยาวคลื่นต่าง ๆ กัน สเปกตรัมต่อเนื่อง : แสงสีขาว ประกอบไปด้วยแสงสีม่วงจนถึง สีแดงซึ่งมีความยาวคลื่นต่างกัน สเปกตรัมเส้น : (สเปกตรัมของ อะตอม) แสงที่ประกอบด้วยคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้าความถี่เฉพาะและ ไม่ต่อเนื่องจำนวนหนึ่ง Sun light H He Hg U

สเปกตรัมการเปล่งแสงของอะตอมไฮโดรเจน รูปแบบของสเปกตรัมของไฮโดรเจนจะมีลักษณะเป็นเส้นๆ (line spectrum) ไม่ต่อเนื่องกัน จึงเกิดคำถามว่า 1. ทำไมแสงจึงเปล่งออกมาจากอะตอมของไฮโดรเจน 2. ทำไมแสงเปล่งออกจึงมีความยาวคลื่นเพียงบางค่าเท่านั้น

ทฤษฎีอะตอมไฮโดรเจนของบอห์ร ปี ค.ศ.1913 นีลส์ บอห์ร (Niels Bohr) เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมาใหม่โดยใช้แนวคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดร่วมกับทฤษฎีอะตอมของควอนตัม สรุปใจความได้ว่า “อะตอมประกอบไปด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน โดยที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงๆหรือเป็นชั้นๆ เช่นเดียวกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์โดยที่ไม่การสูญเสียพลังงานซึ่งเรียกว่าสถานะคงตัว อิเล็กตรอนอยู่ได้ในวงโคจรหนึ่งเท่านั้นเพราะในแต่ละวงโคจรจะมีระดับพลังงานที่มีค่าเฉพาะค่าหนึ่งและไม่เป็นค่าต่อเนื่อง” e n = 4 3 2 1

โดยที่ n เป็นเลขจำนวนเต็ม ระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนอยู่มีลักษณะเป็นชั้นๆ ไม่ต่อเนื่อง ระดับชั้นของพลังงาน โดยที่ n เป็นเลขจำนวนเต็ม โดยปกติ อิเล็กตรอนในอะตอมจะอยู่ในระดับพลังงานต่ำสุด (n = 1) ที่เรียกว่า “สถานะพื้น” (ground state) ซึ่งอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุดและเป็นสถานะพลังงานที่เสถียรที่สุด ความเสถียรของอิเล็กตรอนจะลดลงเมื่อ n = 2, 3, 4, ….. โดยแต่ละระดับเหล่านั้นรียกว่า “สถานะกระตุ้น” (excited state) ซึ่งมีพลังงานสูงกว่าสถานะพื้น

n = เลขจำนวนต็ม (1,2,3,...) เรียกว่าเลขควันตัม(quantum number) จะบอกถึงสมบัติและพลังงานของอิเล็กตรอนในวงโคจรหนึ่งๆ ระดับพลังงานของวงโคจรที่ n เรียก En ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่ต่ำสุด (n = 1) จะอยู่ใกล้กับนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสออกไปจะมีระดับพลังงานสูงขึ้นเป็นลำดับ (n = 2, 3, …) นั่นคือ E1 < E2 < E3……. ระดับพลังงานต่ำจะอยู่ห่างกัน และระดับพลังงานสูงๆจะอยู่ชิดกันมากขึ้น รัศมีวงโครจรของอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนแต่ละวงที่เป็นวงกลมในแบบจำลองของบอร์ห ขึ้นกับค่า n2 เมื่อ n เพิ่มจาก 1 เป็น 2, 3,…. รัศมีวงโคจรจะห่างเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ยิ่งสถานะกระตุ้นมีพลังงานสูงเท่าไหร่ อิเล็กตรอนจะอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้นเท่านั้น และยิ่งยึดเหนี่ยวกับนิวเคลียสน้อยลงไปอีก n = 1 n = 2 n = 3 n = 4

เมื่ออิเล็กตรอนมีการเปลี่ยนวงโคจร อิเล็กตรอนสามารถจะมีการดูดกลืนหรือปลดปล่อยพลังงานได้ โดยค่าของพลังงานจะเท่ากับค่าของพลังงานที่แตกต่างกันของวงโคจรทั้งสอง คือ E = h = Ef – Ei ดูดพลังงาน คายพลังงาน อิเล็กตรอนจากวงใน  วงนอก ดูดพลังงาน E ค่าเป็นบวก (Ef > Ei) อิเล็กตรอนจากวงนอก  วงใน คายพลังงาน E ค่าเป็น ลบ (Ef < Ei)

เมื่ออะตอมได้รับพลังงานความร้อนจากไฟฟ้าศักย์สูง อิเล็กตรอนในอะตอมจะได้รับพลังงานเพิ่ม จะออกไปอยู่ชั้นนอกซึ่งมีระดับพลังงานที่สูงขึ้น เรียกว่า สถานะกระตุ้น (excited state) E2 สถานะกระตุ้น (excited state) E = E2 – E1 = h ดูดพลังงาน e E1 สถานะพื้น (ground state) กระบวนการดูดกลืนพลังงานโดยอิเล็กตรอน

เมื่ออิเล็กตรอนกลับมาที่เดิม ก็ต้องปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของพลังงานรังสี สถานะกระตุ้น (excited state) E2 e คายพลังงาน E = E1 – E2 = -h สถานะพื้น (ground state) E1 กระบวนการคายพลังงานโดยอิเล็กตรอน

บอห์ร พบว่าพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน (En) สอดคล้องตามสมการ RH = ค่าคงที่ริดเบอร์ก (Rydberg constant) = 2.18  10-18 J เลข n เป็นเลขจำนวนเต็ม 1, 2, 3,….. เรียกว่าเลขควอนตัมหลัก E = ผลต่างของพลังงานระหว่างสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้าย ni = เลขควอนตัมของสถานะเริ่มต้น nf = เลขควอนตัมของสถานะสุดท้าย

Example 4.1 จงหาความยาวคลื่นของโฟตอน (หน่วยนาโนเมตร) ที่ปลดปล่อยออกมาจากการเคลื่อนย้ายของอะตอมไฮโดรเจนจากระดับพลังงานชั้นที่ 5 มาสู่ระดับพลังงานชั้นที่ 2 จากสมการ E = RH 1 – 1 ni2 nf2 E = 2.18  10-18 J  1 – 1 = – 4.58  10-19 J 52 22 ค่าลบบอกเราว่ามีการคายพลังงานออกมา และเพื่อคำนวณความยาวคลื่น เราจะไม่คิดเครื่องหมายของ E เพราะความยาวคลื่นของโฟตอนนั้นต้องมีค่าบวกเท่านั้น

Example 4.1 (ต่อ) จากสมการ E = h = h c  4.58  10-19 J = (6.63  10-34 J s) (3.00  108 m/s)   = (6.63  10-34 J s) (3.00  108 m/s) 4.58  10-19 J  = 4.34  10-7 m = 434 nm

จุดอ่อนทฤษฎีอะตอมของบอห์รและการค้นคว้าหาทฤษฎีใหม่ ทฤษฎีอะตอมของบอห์รอธิบายสเปกตรัมเฉพาะระบบที่มีอิเล็กตรอนเพียง 1 อิเล็กตรอน เช่น อะตอมไฮโดรเจนได้เป็นอย่างดี แต่ใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมอื่นๆที่มีหลายอิเล็กตรอนไม่ได้ ทฤษฎีอะตอมของบอห์รจะอธิบายโครงสร้างของอะตอมในระดับสองมิติเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์จึงค้นคว้าทดลองหาข้อมูลต่างๆ เพื่อใช้อธิบายโครงสร้างของอะตอมให้ถูกต้องยิ่งขึ้น จึงได้มีการพัฒนาทฤษฏีแบบใหม่ๆขึ้นมาซึ่งสามารถอธิบายพฤติกรรมและสมบัติต่างๆของอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลทั้งขนาดเล็กและขนาดใหญ่ได้ดี ผลงานที่สำคัญที่ทำให้เข้าใจเกี่ยวกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่จะนำไปสู่ความรู้ ความเข้าใจเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น คือ ผลงานของหลุยส์ เดอบรอยล์ (Louis de Broglie) เกี่ยวกับหลักทวิภาค อนุภาค-คลื่นของสาร (particle-wave duality)

สมมุติฐานของเดอบรอยล์ (Louis de broglie) ปี ค.ศ. 1924 หลุยส์ เดอบรอยล์ ได้เสนอเกี่ยวกับหลักทวิภาคของอนุภาค-คลื่น (particle-wave duality) คือ สสารทุกชนิดเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค โดยอาศัยความสัมพันธ์ต่างๆดังนี้ จาก  = c/ สมบัติของคลื่น จากสมบัติของอนุภาค ดังนั้น  คือ ความยาวคลื่นของเดอบรอยล์, m คือมวลของอนุภาค, c คือ ความเร็วของอนุภาค หากคลื่นแสงสามารถทำตัวเหมือนลำอนุภาค (โฟตอน) ได้ อนุภาคเช่นอิเล็กตรอนก็แสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นเดียวกัน

กลศาสตร์ควอนตัม (กลศาสตร์คลื่น) ปี ค.ศ.1926 เออร์วิน โชรดิงเงอร์ ใช้ฟังก์ชันคลื่น () ในการอธิบายสมบัติต่างๆของอนุภาคขนาดเล็ก เช่น อิเล็กตรอน ซึ่งมีสมบัติเป็นคลื่นโดยการสร้างสมการคลื่นแล้วแก้สมการโดยใช้เทคนิคคณิตศาสตร์ขั้นสูงเข้าช่วย สมการขอลโชรดิงเงอร์ได้รวมสมบัติเชิงอนุภาค และสมบัติเชิงคลื่น เอาไว้ในรูปของฟังก์ชันคลื่น () โชรดิงเงอร์ อาศัยทฤษฎีกลศาสตร์คลื่นเพื่อคำนวณหาฟังก์ชันคลื่นที่สามารถบอกความน่าจะเป็นที่จะพบอิเล็กตรอนที่บริเวณต่างๆ โดยทั่วไป แก้สมการเพื่อหาค่าของ  (ค่อนข้างยุ่งยาก และซับซ้อนจะไม่กล่าว ในที่นี้) จะเกี่ยวข้องกับ “เลขควอนตัม”

การอธิบายอะตอมของไฮโดรเจนด้วยกลศาสตร์คลื่น อะตอมประกอบด้วย อนุภาคประจุบวก (นิวเคลียส) ที่ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีสมบัติเป็นคลื่น เราไม่สามารถระบุตำแหน่งหรือโมเมนตัมที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้ แต่บอกถึงความน่าจะเป็นที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณหนึ่งๆในอะตอม เป็น ความหนาแน่นอิเล็กตรอน ค่ากำลังสองของฟังก์ชันคลื่น (2) บอกถึงความหนาแน่นอิเล็กตรอนในบริเวณสามมิติรอบนิวเคลียส บริเวณที่พบความหนาแน่นอิเล็กตรอนมาก (ค่า 2 มาก) มีความน่าจะเป็นที่จะพบอิเล็กตรอนสูง บริเวณที่มีความหนาแน่นอิเล็กตรอนน้อย (ค่า 2 น้อย) มีความน่าจะเป็นที่จะพบอิเล็กตรอนต่ำ บริเวณที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอน( 90-95 %) เรียกว่า ออร์บิทัล (Orbital) หรือ อะตอมมิกออร์บิทัล (atomic orbital)

ออร์บิทัลของอะตอม (Atomic Orbital) ออร์บิทัล คือที่อยู่ของอิเล็กตรอน, วงโคจรของอิเล็กตรอน หรือบริเวณที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอน พลังงานของอิเล็กตรอนขึ้นกับระดับพลังงานของออร์บิทัล ออร์บิทัลมีได้หลายแบบ แตกต่างกันที่ รูปร่าง, ขนาด, ระดับพลังงาน, และทิศทาง ชนิดของออร์บิทัลกำหนดโดยเลขควอนตัม (n, , m , ms) แต่ละออร์บิทัลสามารถมีอิเล็กตรอนได้มากที่สุดสองตัว (อาจไม่มีเลยก็ได้)

เลขควอนตัม (Quantum Number) เป็นเลขจำนวนเต็มที่ได้จากการแก้สมการของโชรดิงเงอร์ของไฮโดรเจนอะตอมตามวิธีการทางคณิตศาสตร์ ซึ่งเลขเหล่านี้สามารถนำมาใช้อธิบายพฤติกรรมและกำหนดตำแหน่งของอิเล็กตรอนได้ เลขควอนตัมแบ่งออกเป็น 4 ชนิด คือ เลขควอนตัมหลัก (Principal quantum number, n) เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม (Angular momentum quantum number, l) เลขควอนตัมแม่เหล็ก (Magnetic quantum number, ml) เลขควอนตัมสปิน (Spin quantum number, ms)

เลขควอนตัมหลัก (Principal quantum number, n) ระดับพลังงานในอะตอมจะถูกจัดคร่าวๆเป็นระดับหลักหรือวง (shell) ค่า n กำหนดค่าระดับพลังงานหลักของอิเล็กตรอนในออร์บิทัล ค่า n สัมพันธ์กับรัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอน โดยถ้าตัวเลข n มีค่ามากก็แสดงว่าอิเล็กตรอนอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากและมีพลังงานสูง ออร์บิทัลนั้นก็จะมีขนาดใหญ่ (ออร์บิทัลนั้นเสถียรน้อยลง) บางครั้งนิยมใช้ตัวอักษรพิมพ์ใหญ่ของภาษาอังกฤษแทน เช่น n=1, 2, 3, 4,… อักษรที่ใช้แทนคือ K, L, M, N,…. ตามลำดับ

เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม (Angular momentum quantum number, ) ระดับพลังงานในแต่ละวงหลักจะประกอบด้วยระดับพลังงานวงย่อย (subshell) ซึ่งอาจมีเพียง 1 วงย่อยหรือมากกว่าก็ได้ ค่า  เป็นเลขจำนวนเต็ม มีค่าขึ้นกับค่าเลขควอนตัมหลัก (n) คือ = n-1 ค่า  มีค่าอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0 ถึงค่าสูงสุดคือ n-1 ( = 0, 1, 2, 3,….., n-1) มีจำนวนค่า n ค่า ค่า  บอกถึงรูปร่างของออร์บิทัล หรือระดับพลังงานย่อย (subshell) ถ้า n = 1, ค่า  มี 1 ค่า คือ  = n-1 = 1-1 = 0 นั่นคือ shell-K มี 1 subshell ถ้า n = 2, ค่า  มี 2 ค่า คือ  = 0, 1 นั่นคือ shell-L มี 2 subshell ถ้า n = 3, ค่า  มี 3 ค่า คือ  = 0, 1, 2 นั่นคือ shell-M มี 3 subshell

เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม (Angular momentum quantum number, ) ค่า  ยังบอกถึงโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน ค่า  สูงแสดงว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยโมเมนตัมเชิงมุมสูงและมีพลังงานสูงด้วย ค่า  ถูกกำหนดด้วยตัวอักษร s, p, d,….. ดังนี้  1 2 3 4 5 ตัวอักษร s p d f g h หาก  = 0 เราเรียกว่า s-orbital, หาก  = 1 เราเรียกว่า p-orbital เป็นต้น

เลขควอนตัมแม่เหล็ก (Magnetic quantum number, m) เป็นเลขที่แสดงถึงสมบัติความเป็นแม่เหล็กของอิเล็กตรอน ในแต่ละระดับพลังงานย่อยจะประกอบด้วยวงที่มีทิศทางต่างกัน เรียกว่า ออร์บิทัล ในแต่ละวงย่อยอาจมีเพียง 1 ออร์บิทัล หรือมากกว่าแสดงด้วยค่า m ค่า m เป็นเลขจำนวนเต็ม ขึ้นกับค่าเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม () ค่า m มีค่าตั้งแต่ -, (- +1), ….., -2, -1, 0, 1, 2, ….., (-1),  โดยมีค่าได้ทั้งหมดจำนวน 2+1 ตัว ค่า m บอกถึงจำนวนออร์บิทัลในแต่ละระดับพลังงานย่อย เช่น ถ้า  = 0 ค่า m มี 2  +1 = 2 (0) + 1 = 1 ตัว คือ 0 ถ้า  = 1 ค่า m มี 2  +1 = 2 (1) + 1 = 3 ตัว คือ - 1 , 0 , 1 ถ้า  = 2 ค่า m มี 2  +1 = 2 (2) + 1 = 5 ตัว คือ -2 , -1 , 0 , 1 , 2

เลขควอนตัมสปิน (Spin quantum number, ms) มีค่าเพียง 2 ค่า คือ +1/2 และ -1/2 ถ้าอิเล็กตรอนมีค่า ms = +1/2 แสดงว่าอิเล็กตรอนอยู่ในสภาวะ สปินขึ้น (spin up) หรือหมุนทวนเข็มนาฬิกา ถ้าค่า ms = -1/2 แสดงว่าอิเล็กตรอนอยู่ในสภาวะสปินลง (spin down) หรือหมุนตามเข็มนาฬิกา สปินขึ้น สปินลง ms = -1/2 ตามเข็ม ms = +1/2 ทวนเข็ม

สรุปเลขควอนตัม ชุดของเลขควอนตัม (n, ,m,ms) มีไว้เพื่อระบุอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะมีเลขควอนตัมทั้งสี่ชนิดนี้เป็นชุดหนึ่งชุดใดโดยเฉพาะ ที่ไม่ซ้ำกัน เลขควอนตัมแต่ละชุดนั้นจะตรงกับฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นสิ่งกำหนดสถานะ และพลังงานของอิเล็กตรอนแต่ละตัว

ออร์บิทัลของอะตอม (Atomic Orbital) ตารางแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเลขควอนตัมกับอะตอมมิคออร์บิทัล n  m จำนวนออร์บิทัล สัญลักษณ์ 1 2 3 -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 5 1s 2s 2px , 2py , 2pz 3s 3px , 3py , 3pz 3dxy , 3dyz , 3dxz , 3dx - y , 3dz 2

s-orbital s-orbital ( = 0 , m = 0) รูปร่างออร์บิทัลเป็นทรงกลม การกระจายของอิเล็กตรอนเท่ากันทุกทิศทาง ขนาดออร์บิทัล และระดับพลังงาน จะเพิ่มตามเลขควอนตัมหลัก (n) ที่เพิ่มขึ้น (ขนาดของออร์บิทัล 1s < 2s < 3s < 4s,…)

p-orbital p-orbital ( = 1 , m = +1, 0, -1) เราพบ p-orbital เมื่อค่าควอนตัมหลักเป็น 2 (n=2) รูปร่างออร์บิทัลเป็นรูปดัมเบล หรือโหลบ (lobe) 2 โหลบ มีทั้งหมด 3 ออร์บิทัล ซึ่งทั้ง 3 ออร์บิทัลนี้จะอยู่ตามแกน x, y, z จึงเรียกว่า px, py และ pz โดยทั้งหมดจะมีรูปร่าง ขนาด และพลังงานเท่ากัน ต่างกันเพียงทิศทางที่จัดเรียงตัวเท่านั้น ขนาดออร์บิทัล จะเพิ่มตามเลขควอนตัมหลัก (n) ที่เพิ่มขึ้น (2p<3p<4p,...)

d-orbital d-orbital ( = 2 , m = +2, +1, 0, -1, -2) รูปร่างออร์บิทัลเป็นรูปดัมเบลคู่ หรือโหลบ 4 โหลบ มีทั้งหมดอยู่ 5 ออร์บิทัล มีรูปร่างและทิศทางของออร์บิทัลที่แตกต่างกัน คือ กลุ่มอิเล็กตรอนที่วางตัวอยู่ระหว่างแกน xy, xz, yz เรียกว่า dxy, dxz, dyz กลุ่มอิเล็กตรอนที่อยู่บนแกน xy เรียกว่า dx2-y2 กลุ่มอิเล็กตรอนที่อยู่บนแกน z เรียกว่า dz2 ทั้งหมดจะมีพลังงานเท่ากัน (degeneracy)

รูปร่างต่างๆของ d-orbital dxy dxz dyz dx2 – y2 dz2

ระดับพลังงานของออร์บิทัล พลังงานของออร์บิทัลในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนเดี่ยว จะขึ้นอยู่กับเลขควอนตัมหลัก (n) เพียงอย่างเดียวเท่านั้น นั่นคือ 1s < 2s = 2p < 3s = 3p =3d < 4s = 4p = 4d = 4f < …

ระดับพลังงานของออร์บิทัล พลังงานของออร์บิทัลในอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน จะขึ้นอยู่กับเลขควอนตัมหลัก (n) และเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม () 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < …

การจัดอิเล็กตรอน (Electron Configuration) เลขควอนตัมทั้งสี่ (n, , m , ms) อธิบายถึงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล ใช้แสดงการกระจายของอิเล็กตรอนใน atomic orbital ต่างๆ จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมมีค่าเท่ากับเลขอะตอม Z ตัวอย่าง electron configuration ของไฮโดรเจน (เลขอะตอม=1) คือ จำนวน e- ในออร์บิทัล เลขควอนตัมหลัก (n) 1s1 เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม ( ) (1, 0, 0 , +1/2) หรือ (1, 0, 0, -1/2)

แผนภาพออร์บิทัล การจัดอิเล็กตรอนสามารถเขียนบรรยายในรูปแผนภาพออร์บิทัล ซึ่งแสดงสปินของอิเล็กตรอน ตัวอย่าง คือ ไฮโดเจน ซึ่งมี 1 อิเล็กตรอน H 1s1 ลูกศรชี้ขึ้นแสดงการสปินหมุนรอบตัวเองของอิเล็กตรอน และกล่องสี่เหลี่ยมแทน atomic orbital

หลักการกีดกันของเพาลี (The Pauli Exclusion Principal) กรณีที่อะตอมมีหลายอิเล็กตรอน จะใช้ “หลักการกีดกันของเพาลี” เพื่อหาการบรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัล ไม่มีอิเล็กตรอนใดในอะตอม มีเลขควอนตัมทั้งสี่ (n, , m, ms) เหมือนกันทุกประการ เช่น อิเล็กตรอนคู่หนึ่งอาจมี n, , m เหมือนกันได้ (คืออยู่ในออร์บิทัลเดียวกัน) แต่จะต้องมีค่า ms ต่างกัน ในแต่ละออร์บิทัลจะบรรจุอิเล็กตรอนได้มากที่สุด 2 ตัว ซึ่งต้องมีสปินตรงกันข้ามกัน (ค่า ms ต่างกัน)

หลักการกีดกันของเพาลี (The Pauli Exclusion Principal) ตัวอย่างเช่น ฮีเลียม ซึ่งมีอิเล็กตรอน 2 ตัว (เลขอะตอม =2) มี Electron configuration คือ 1s2 He 1s2 1s2 1s2 (a) (b) (c) (a) อิเล็กตรอนทั้งคู่มีชุดเลขควอนตัม = (1,0,0,+1/2) (b) อิเล็กตรอนทั้งคู่มีชุดเลขควอนตัม = (1,0,0,-1/2) (c) อิเล็กตรอนตัวหนึ่งมีเลขชุดควอนตัม = (1,0,0,+1/2) และอีกตัว = (1,0,0,-1/2)   

หลักของเอาฟบาว (Aufbau Principal) ใช้หลักของเพาลีในการจัดเรียงอิเล็กตรอน คือ ในแต่ละออร์บิทัลจะบรรจุอิเล็กตรอนได้อย่างมากที่สุด 2 ตัว (มีสปินต่างกัน) ใช้เครื่องหมาย  แทนอิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้น (spin up) ใช้เครื่องหมาย    แทนอิเล็กตรอนที่มีสปินลง (spin down) ใช้เครื่องหมาย    แทนอิเล็กตรอนเดี่ยวในออร์บิทัล ใช้เครื่องหมาย    แทนอิเล็กตรอนคู่ในออร์บิทัล การบรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัล ให้บรรจุในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดที่ยังว่างอยู่จนเต็มก่อนแล้วจึงบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงขึ้น การจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบนี้จะทำให้อะตอมมีสถานะเสถียรที่สุดเพราะพลังงานรวมทั้งหมดของอะตอมมีค่าต่ำสุด

การบรรจุอิเล็กตรอนจะบรรจุในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดไปหาออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงขึ้นเรื่อย ๆ โดยใช้แผนภาพการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล ดังนี้ 1s  2s  2p  3s  3p  4s  3d  4p …

หลักของเอาฟบาว (Aufbau Principal) ในแต่ละระดับพลังงานย่อย จะมีจำนวนออร์บิทัลแตกต่างกันดังนี้ s-orbital มี 1 ออร์บิทัลย่อย มีอิเล็กตรอนบรรจุได้ไม่เกิน 2 ตัว p-orbital มี 3 ออร์บิทัลย่อย มีอิเล็กตรอนบรรจุได้ไม่เกิน 6 ตัว d-orbital มี 5 ออร์บิทัลย่อย มีอิเล็กตรอนบรรจุได้ไม่เกิน 10 ตัว f-orbital มี 7 ออร์บิทัลย่อย มีอิเล็กตรอนบรรจุได้ไม่เกิน 14 ตัว

จำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดในอะตอมิกออร์บิทัล เลขควอนตัมหลัก (n) จำนวน e- ใน อะตอมมิกออร์บิทัล จำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่บรรจุได้ (2n2) s p d f 1 2 6 8 3 10 18 4 14 32

กฎของฮุนด์ (Hund’s rule) ถ้ามีออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากันมากกว่า 1 ออร์บิทัลขึ้นไปเช่น p-orbital จะใช้กฎของฮุนด์ (Hund’s rule) นั่นคือ “การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากัน (degenerate orbital) จะบรรจุอิเล็กตรอนตัวเดียวให้ครบทุกออร์บิทัลก่อน นั่นคือทำให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวและสปินในทิศทางเดียวกันมากที่สุด (สปินขึ้น)”  

กฎของฮุนด์ (Hund’s rule) ตัวอย่างเช่น คาร์บอน ซึ่งมีอิเล็กตรอน 6 ตัว (เลขอะตอม = 6) มี Electron configuration คือ 1s2 2s2 2p2 C 1s2 2s2 2p2 ถ้าทุกออร์บิทัลในระดับพลังงานเดียวกันมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนอยู่เต็มจะเรียกว่า การบรรจุเต็ม (filled configuration) แต่ถ้าทุกออร์บิทัลมีอิเล็กตรอนอยู่เพียงครึ่งเดียว จะเรียกว่า การบรรจุครึ่ง (half-filled configuration) การบรรจุเต็มจะเสถียรกว่าการบรรจุครึ่ง และการบรรจุแบบครึ่งจะเสถียรกว่าการบรรจุแบบอื่นๆ

ความเสถียรของอิเล็กตรอน การบรรจุแบบเต็ม > การบรรจุแบบครึ่ง > การบรรจุแบบไม่เต็ม เสถียรกว่า เสถียรกว่า

ตัวอย่างการจัดเรียงอิเล็กตรอน #e- 1s 2s 2px 2py 2pz 3s การจัดเรียงอิเล็กตรอน H 1  1s1 [He] 2   1s2 Li 3   1s2 2s1 หรือ [He] 2s1 Be 4      1s2 2s2 หรือ [He] 2s2 B 5      1s2 2s2 2p1 หรือ [He] 2s2 2p1 C 6      1s2 2s2 2p2 หรือ [He] 2s2 2p2 N 7       1s2 2s2 2p3 หรือ [He] 2s2 2p3

ตัวอย่างการจัดเรียงอิเล็กตรอน #e- 1s 2s 2px 2py 2pz 3s การจัดเรียงอิเล็กตรอน O 8  1s2 2s2 2p4 หรือ [He] 2s2 2p4 F 9 1s2 2s2 2p5 หรือ [He] 2s2 2p5 [Ne] 10 1s2 2s2 2p6 Na 11 1s2 2s2 2p6 3s1 หรือ [Ne] 3s1 การเขียนโครงแบบอิเล็กตรอนอาจเขียนย่อให้สั้นลง โดยแยกส่วนที่เป็นโครงแบบของแก๊สเฉื่อย (inert gas) ไว้ในวงเล็บ แล้วเขียนเพิ่มส่วนที่ไม่เหมือนกันไป ซึ่งการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุกลุ่มนี้จะบรรจุอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในออร์บิทัลจนเต็ม เช่น [He] = 1s2 [Ne] = 1s2 2s2 2p6 e- ที่บรรจุในแต่ละ orbital เต็ม

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7

ยังมีธาตุบางชนิดที่มีการจัดอิเล็กตรอนไม่เป็นไปตามหลักเกณฑ์ข้างต้น เช่น ธาตุโครเมียม หรือธาตุทองแดง เป็นต้น โครเมียม Cr (Z=24) มี Electron configuration คือ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 หรือ [Ar] 4s2 3d4  Cr 4s2 3d4 Electron configuration ที่ถูกต้องคือ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 หรือ [Ar] 4s1 3d5  เสถียรกว่า Cr 4s1 3d5

สมบัติไดอาแมกเนติกและพาราแมกเนติก Paramagnetic Diamagnetic e- เข้าคู่กัน e- ไม่เข้าคู่ 2p 2p

Example 4.2 จงเขียนชุดเลขควอนตัมที่เป็นไปได้ทั้งหมดของอิเล็กตรอนใน 3p ออร์บิทัล เลขควอนตัมหลัก (n) = 3 และเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม () = 1 กรณี  = 1 จะมีค่า m 3 ค่าคือ -1, 0, +1 และเนื่องจาก ms มีค่าเป็น +1/2 และ -1/2 ดังนั้นจึงมีชุดเลขควอนตัม (n, , m , ms ) ทั้งหมด 6 ชุดที่เป็นไปได้คือ (3, 1, -1, +1/2) (3, 1, -1, -1/2) (3, 1, 0, +1/2) (3, 1, 0, -1/2) (3, 1, +1, +1/2) (3, 1, +1, -1/2) โดยทั้ง 6 แบบ มีค่า n และ  เหมือนกันหมด แตกต่างกันเพียงค่า m และ ms

Example 4.3 จงเขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนในสถานะพื้นของอะตอม ซัลเฟอร์ (S) (เลขอะตอม = 16) พาลาเดียม (Pd) (เลขอะตอม = 46) ซึ่งมีสมบัติไดอาแมกเนติก 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4d10